采煤工作面推进方向对斜坡变形破坏特征影响研究_李泽根.pdf

采煤工作面推进方向对斜坡变形破坏特征影响研究*李泽根1，吕义清1，陈强1，刘志辉2（1.太原理工大学 矿业工程学院，太原030024；2.山西冶金岩土工程勘察有限公司，太原030000）摘要：为了研究采煤工作面推进方向与沟谷走向在不同相交角度的情况下，采动斜坡的变形破坏规律，结合山西某矿区工程地质条件，采用Midas GTS NX软件，根据工作面与沟谷走向夹角，建立17个数值计算模型，分析研究采动斜坡地表变形规律以及变形破坏特征，进而得出斜坡的失稳破坏模式。研究结果表明：工作面垂直于走向推进时，斜坡变形量最大且最容易发生失稳破坏；当工作面推进方向与地面坡向一致时，工作面角度对斜坡变形影响较小，破坏模式为推移式滑坡；当工作面推进方向与地面坡向相反时，工作面角度对斜坡变形影响较大，斜坡的破坏模式为牵引式滑坡。关键词：采动斜坡；采空区；变形分析；破坏模式中图分类号：TD325文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 024 05Study on Influence of Advancing Direction of Coal Mining Face onDeformation and Failure Characteristics of SlopeLI Zegen1,LYU Yiqing1,CHEN Qiang1,LIU Zhihui2(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Shanxi MetallurgicalRock-Soil Engineering Investigation Co.,Ltd.,Taiyuan 030000,China)Abstract：In order to study the deformation and failure law of mining slope under the condition ofdifferent intersection angles between the advancing direction of coal face and gully trend,combinedwith the engineering geological conditions of a mining area in Shanxi,17 numerical calculation modelsare established by using Midas GTS NX software according to the included angle between working faceand gully trend,and the surface deformation law and deformation and failure characteristics of miningslope are analyzed and studied,then the instability failure mode of slope is obtained.The results showthat when the working face advances perpendicular to the strike,the slope deformation is the largestand is most prone to instability failure;when the advancing direction of the working face is consistentwith the slope direction,the working face angle has little effect on the slope deformation,and thefailure mode is push type landslide;when the slope direction is opposite to the advancing direction,theworking face angle has a great influence on the slope deformation,and the failure mode of the slope istraction landslide.Key words:mining-induced slope;goaf;meformation analysis;failure mode第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0060引言我国西部地区黄土分布广泛，沟壑纵横，地表起伏多变。受煤炭开采影响，斜坡的稳定性不断发生变化，发生崩塌、滑坡等地质灾害的频率不断增加，给矿区人民的生产生活带来严重安全隐患。近年来，针对井工开采条件下斜坡的变形破坏规律，相关学者通过理论分析、物理模拟试验以及数值模拟等方法开展了大量研究工作。柴红保等通过数值模拟方法，探讨了工作面开采后不同采空区位置以及跨度对斜坡稳定性的影响；孙魁等结合现场调查，采用FLAC3D分析了黄土山区过沟开采采动滑坡的形成机理；此外，对于不同地形条件、地质构造、煤层开采方式对采动斜坡的影响也有较多研究。目前对采动斜坡的研究已经取得了丰硕的成果，但现有研究大多数是针对某一位置确定的工作面，对于不同工作面开采角度下斜坡的变形规律鲜有研究。本文结合研究区地形条件以及煤矿开采条件，运用数值模拟方法，研究不同工作面推进方向沟谷两侧斜坡的移动变形规律及破坏特征，为黄土山*山西省自然科学基金资助项目（201701D121015）24区采煤工作面的布置以及地质灾害防治提供参考。1研究区概况矿区位于乡宁县西坡镇东北部，地处吕梁山南部的黄土高原地带，地表被侵蚀为梁、沟壑等复杂地貌，其主要山梁和沟壑为南北方向，地表起伏程度较大。区域内地表大部分被黄土覆盖，结构松散，厚度变化较大，植被覆盖率低。研究区灾害分布图如图1所示，研究区为位于矿区西侧的1条南北向山沟，两侧斜坡下陡上缓，其中东、西两侧斜坡的平均坡度分别为26和29，坡体岩性主要为第四系黄土以及上第三系红土。现场调查发现斜坡两侧变形较明显，沟底及坡顶出现大面积塌陷，形成塌陷坑，坡面及后缘发育多条裂缝，在雨季易引发崩塌、滑坡等地质灾害。图1研究区灾害分布图研究区采用综采长壁式采煤方式，主要开采区域内赋存的2#煤层。该煤层属全区稳定煤层，埋深110265 m，平均厚度4.9 m，顶板为砂岩，底板为砂泥岩，井下采用大巷条带式布置回采工作面，工作面面宽200 m，推进长度500 m，采用垮落法管理顶板。2数值模拟2.1模型建立根据矿区的地形图以及钻孔资料，运用MIDASGTS NX软件建立研究区三维工程地质模型，如图2所示。模型尺寸XY=800 m740 m，Z方向最厚处达280 m。X轴、Z轴分别代表正东和竖直方向，沟谷走向沿Y轴，即正北方向。模型地层共13层，其中第12层为煤层。对模型进行网格划分，网格尺寸为20 m，共划分27 847个节点，34 508个单元，并在模型底部施加固定约束，四周施加水平向约束。数值计算中岩土体参数依据土工试验以及工程经验确定，如表1所示。图2斜坡工程地质模型表1岩土体类型及其物理力学参数根据采煤工作面推进方向不同，控制地形、地层岩性、模型大小以及工作面尺寸不变，只改变工作面与沟谷走向夹角，在0180，每间隔15建立1个模型，由于工作面与沟谷走向在接近垂直时变形的变化幅度较大，在75105每隔5建立1个模型，共建立17个模型。本次模拟对2#煤层进行开挖，工作面尺寸为200 m500 m，由西向东分10次开挖，每次开挖50 m。工作面布置图如图3所示，选取夹角分别为30、60和90时的3个典型模型进行分析。采煤工作面推进方向对斜坡变形破坏特征影响研究李泽根，等第42卷第02期Vol.42 No.02弹性模量/GPa0.220.365.981.060.861.756.55.987.021.750.861.565.98厚度/m09520801010811810812857岩层类型黄土红土砂泥岩中砂岩粉砂岩泥岩中砂岩砂泥岩细砂岩泥岩粉砂岩2#煤砂泥岩黏聚力/MPa0.030.064.45.38.14.25.084.45.953.28.10.84.4内摩擦角/()24.231.836.734.438.334.14136.743.919.538.52336.7密度/kgm-31 5701 9202 6502 6302 6102 6302 6402 6502 7002 6302 6101 4702 650泊松比0.430.410.320.20.250.190.20.320.240.190.250.320.32（a）模型1（b）模型2（c）模型3图3工作面布置图不稳定斜坡塌陷坑黄土红土砂泥岩中砂岩粉砂岩泥岩中砂岩砂泥岩细砂岩泥岩粉砂岩煤层砂泥岩XYZXYZXYZXYZ252.2位移分析（1）总位移分析煤层开采完毕后，得到3种工作面角度下的计算结果云图，如图4所示。从图4中可以看出，不同推进方向的采动斜坡总位移云图形态相似，且变形较大区域主要分布在采空区正上方以及周边较远处的坡体表面。采空区正上方地表总位移呈现出以采空区为中心的近椭圆形，与竖直方向位移分布基本一致，主要以下沉为主，最大位移值位于沟底两侧的坡脚处。而采空区周边较远处斜坡的地表位移，受采动作用影响，主要以水平方向为主，下沉值较小。地表最大总位移值曲线如图5所示，从图5可以看出，不同工作面推进方向下研究区地表最大总位移值呈现出规律性变化。曲线以X=90为轴，呈近似对称分布，位移值在夹角为8095内数值变化较大，分别在80、95处达到极小值，在0、90处达到极大值。当夹角小于80时，随着角度增大，地表最大总位移逐渐减小，当夹角大于95时，随着角度增大，地表最大总位移逐渐增大。由此可见，工作面推进方向对地表变形程度产生显著影响，工作面垂直于走向推进时，地表变形最大。图5地表最大总位移值曲线图（2）地表下沉分析为了分析不同工作面推进方向地表竖直方向位移变化规律，由于模型中部采空区上方变形最严重，选取X=400 m，Y=370 m这2条剖面并在其地表布设监测点，进行位移监测，监测结果如图6、图7所示。从图中可以看出，3个模型的地表下沉曲线形态基本一致，呈倒峰状，分布均匀且较为对称。由图6可知，沿沟谷走向地表下沉值与采空区位置有关，在地表下沉盆地边缘位置处，下沉值较小，工作面与沟谷走向夹角越小，沉陷范围与沉陷值越大，在盆地中间位置，地表下沉值较大，工作面与沟谷走向夹角越大，沉陷值越大。由图7可知，从两侧斜坡到沟底，地表下沉量逐渐增大，在沟底处下沉量达到峰值。3条曲线上各个位移监测点的数值呈逐渐增大趋势，表明随着工作面与走向夹角增大，斜坡表面下沉量逐渐增大。图6X=370 m剖面地表下沉值曲线图图7Y=370 m剖面地表下沉值曲线图采煤工作面推进方向对斜坡变形破坏特征影响研究李泽根，等第42卷第02期Vol.42 No.02（a）模型1（b）模型2（c）模型3图4总位移云图（单位：m）+0.453 8+0.408 4+0.363 0+0.317 7+0.272 3+0.226 9+0.181 5+0.136 1+0.090 8+0.045 4+0.000 01801651501351201059075604530150工作面与沟谷走向夹角/()地表最大总位移/m0.460.450.440.430.420.410.40地表下沉值/m0.050.00-0.05-0.10-0.15-0.20-0.25-0.30-0.35-0.40-0.45监测点Y坐标/m8007006005004003002001000模型